CN114598383B - 一种非地面网络的联合跳频传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非地面网络通信系统技术领域，公开了一种非地面网络的联合跳频传输系统，包括N个NTN节点，NTN节点包括一个NTN主节点和N‑1个NTN辅节点，NTN主节点记为NTN节点1，多个NTN辅节点分别记为NTN节点2～NTN节点N，NTN节点1～NTN节点N之间通过NTN节点间无线链路进行信息交互；将一个跳频图案分解为多个跳频图案子集以适应单个NTN节点的跳频带宽处理能力，利用多个NTN节点联合跳频的方法实现完整的大带宽跳频图案。本发明解决了现有技术存在的难以做到大带宽的跳频图案从而限制了NTN跳频通信系统的跳频性能等问题。

Description

一种非地面网络的联合跳频传输系统及方法

技术领域

本发明涉及非地面网络通信系统技术领域，具体是一种非地面网络的联合跳频传输系统及方法。

背景技术

非地面网络(Non-terrestrial Network，NTN)通信系统由NTN节点、地面站及地面终端组成。其中，NTN节点包括高轨道卫星、中/低轨卫星、临近空间飞行平台、飞行器、导弹等各类型平台所携带的通信节点，NTN节点之间通过NTN节点间无线链路进行通信；地面站与NTN节点建立馈电链路，实现通信数据的回传并完成对NTN节点的管理；地面终端与NTN节点建立用户链路，实现用户数据传输、测控等功能。

与传统地面蜂窝网络相比，NTN节点的信号具有覆盖广、无盲区的显著优势，可以在地面网络覆盖薄弱地区提供低成本、高可靠覆盖方案。NTN通信系统在军事、运输、公共安全、能源、农业等行业中将发挥重要作用。

典型的NTN通信系统为多卫星通信系统。多卫星通信系统一般是指由多个卫星构成的可以进行实时信息传输处理的大型卫星系统。目前的多卫星通信系统包括高轨道卫星和中/低轨道卫星通信系统。

跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，即通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用伪随机码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。跳频通信是扩频通信的一个分支，它具有抗干扰性强的突出优点，是对抗无线电干扰的有效手段，在通信领域具有很高的应用前景。

在传统NTN通信系统中，单个NTN节点实现一个完整的跳频图案。单个NTN节点的跳频图案如图1所示。例如，在目前的卫星跳频通信系统中，单个卫星独立实现一个完整的跳频图案。由于单星载荷的硬件体积、成本限制，难以做到大带宽的跳频图案，从而限制了卫星跳频通信系统的跳频性能。目前技术的主要缺点是由于单个NTN节点的硬件体积、成本限制，难以做到大带宽的跳频图案，从而限制了NTN跳频通信系统的跳频性能。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种非地面网络的联合跳频传输系统及方法，解决现有技术存在的难以做到大带宽的跳频图案从而限制了NTN跳频通信系统的跳频性能等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种非地面网络的联合跳频传输系统，包括N个NTN节点，NTN节点包括一个NTN主节点和N-1个NTN辅节点，NTN主节点记为NTN节点1，多个 NTN辅节点分别记为NTN节点2～NTN节点N，NTN节点1～NTN节点N之间通过NTN节点间无线链路进行信息交互；将一个跳频图案分解为多个跳频图案子集以适应单个NTN节点的跳频带宽处理能力，利用多个NTN节点联合跳频的方法实现完整的大带宽跳频图案；其中，N≥2且N为正整数。

作为一种优选的技术方案，N个NTN节点之间保持时间同步关系。

作为一种优选的技术方案，NTN辅节点用以通过NTN节点间无线链路向 NTN主节点上报自身的处理能力；NTN主节点用以根据各NTN节点的处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上的跳频图案子集，并分配给N个NTN节点，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应NTN节点的处理能力；每个NTN节点还用以接收被分配到的其中一个跳频图案子集，并按照跳频图案子集进行跳频处理。

作为一种优选的技术方案，NTN主节点用以根据各NTN节点的处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集。

作为一种优选的技术方案，NTN主节点用以将跳频图案、各个跳频图案子集的参数及对应的传输信息比特通过NTN节点间无线链路分发给各个NTN 辅节点；每个NTN节点还用以接收被分配到的其中一个跳频图案子集及其对应的传输信息比特，并按照跳频图案子集进行跳频处理。

作为一种优选的技术方案，第k个单跳周期内的跳频频点编号计算方式为：

m_k＝g(k)；

其中，k为示时间编号，k为正整数，m_k表示第k个单跳周期内的跳频频点编号，g(k)为跳频图案的函数。

作为一种优选的技术方案，g(k)为伪随机函数、混沌函数或自定义映射函数。

作为一种优选的技术方案，主节点包括依次电相连的信息分组模块、参数及信息分发模块、主节点符号映射模块、主节点跳频调制模块、主节点射频前端模块，还包括与参数及信息分发模块电相连的跳频图案子集划分模块，参数及信息分发模块与主节点跳频调制模块电相连；参数及信息分发模块还与NTN辅节点电相连；

其中；

跳频图案子集划分模块：用以根据各NTN节点的跳频带宽处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应NTN节点的处理能力；以及；将跳频图案g(k)、各NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}，n＝ 1，…，N发送给参数及信息分发模块；其中，跳频图案子集编号n，m_n，start表示跳频图案子集n的起始跳频频点编号，m_n，end表示跳频图案子集n的终止跳频频点编号；

信息分组模块：用以将输入的串行信息比特流b(i)按照单跳周期内承载的信息比特数N_{bit_hop}进行打包分组，得到第k个单跳周期内承载的信息比特块A_k：{b(N_{bit_hop}×(k-1)+1)，…，b(N_{bit_hop}×k)}，并输出给参数及信息分发模块；

参数及信息分发模块：用以首先将跳频图案g(k)、NTN辅节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}，n＝2，…，N输出给对应编号的NTN辅节点；还用以将跳频图案g(k)和NTN主节点的跳频图案子集参数 {(m_n，start，m_n，end)}输出给主节点跳频调制模块；然后根据跳频图案g(k)计算第k个单跳周期内的跳频频点编号m_k：m_k＝g(k)；再利用各NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}，n＝1，…，N判断跳频频点编号m_k属于跳频图案子集n_k，并将{信息比特块A_k，时间编号k}分发给对应编号n_k的 NTN节点；

主节点符号映射模块：用以将输入的信息比特块A_k按照预定的符号调制方式映射为调制符号s(n_k，t)，其中，NTN节点编号n_k属于当前NTN节点的编号，t为时间参数；然后将调制符号输出给主节点跳频调制模块；

主节点跳频调制模块：用以利用当前NTN节点的跳频图案子集参数 {(m_n，start，m_n，end)}初始化跳频调制模块的跳频带宽和中心频率；然后利用输入的跳频图案g(k)和时间编号k计算跳频频点编号m_k：m_k＝g(k)；将跳频频点编号m_k转换为跳频频率f(m_k)；将调制符号s(n_k，t)搬移到跳频频率 f(m_k)，得到第k个单跳周期内的跳频信号

其中，j表示复数的虚部，(k-1)×T_hop≤t＜k×T_hop，T_hop为单跳周期；最后将当前 NTN节点的第k个单跳周期内的跳频信号输出给主节点射频前端模块；

主节点射频前端模块用以对输入的跳频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的无线射频信号，然后通过天线发射到空中。

作为一种优选的技术方案，辅节点包括依次电相连的参数及信息解析模块、辅节点符号映射模块、辅节点跳频调制模块、辅节点射频前端模块，参数及信息解析模块与主节点的参数及信息分发模块电相连；

其中，

参数及信息解析模块：用以解析NTN节点之间消息，得到跳频图案g(k)、当前NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}及{信息比特块A_k，时间编号k}；再将信息比特块A_k输出给辅节点符号映射模块，将跳频图案 g(k)、当前NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}及时间编号k输出给辅节点跳频调制模块；

辅节点符号映射模块：用以将输入的信息比特块A_k按照预定的符号调制方式映射为调制符号s(n_k，t)，其中，NTN节点编号n_k属于当前NTN节点的编号，t为时间参数；然后将调制符号输出给辅节点跳频调制模块；

辅节点跳频调制模块：用以首先利用当前NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}初始化辅节点跳频调制模块的跳频带宽和中心频率；然后利用输入的跳频图案g(k)和时间编号k计算跳频频点编号m_k： m_k＝g(k)；再将跳频频点编号m_k转换为跳频频率f(m_k)；再将调制符号s(n_k，t)搬移到跳频频率f(m_k)，得到第k个单跳周期内的跳频信号

其中，j表示复数的虚部，(k-1)×T_hop≤t＜k×T_hop， T_hop为单跳周期；最后将当前NTN节点的第k个单跳周期内的跳频信号输出给辅节点射频前端模块；

辅节点射频前端模块：用以对输入的跳频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的无线射频信号，然后通过天线发射到空中。

一种非地面网络的联合跳频传输方法，采用所述的一种非地面网络的联合跳频传输系统。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明根据各NTN节点的跳频带宽处理能力，将一个大带宽的跳频图案灵活划分为多个跳频图案子集以适应单个NTN节点的跳频带宽处理能力；利用多个NTN节点联合跳频的方法实现完整的大带宽跳频图案，增大了系统的跳频带宽，从而提升了NTN跳频通信系统的跳频性能，并且降低了单个NTN节点的实现复杂度和硬件要求及成本；

(2)本发明将NTN通信系统中的N个NTN节点分为1个NTN主节点和 (N-1)个NTN辅节点，其中，NTN主节点与NTN辅节点之间通过NTN节点间无线链路进行信息交互，并且NTN节点之间保持时间同步关系；

(3)本发明NTN辅节点通过NTN节点间无线链路向NTN主节点上报自身的处理能力，上报信息包括跳频带宽处理能力；

(4)本发明NTN主节点根据各NTN节点的跳频带宽处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集，并分配给N 个NTN节点，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应NTN节点的处理能力；

(5)本发明NTN主节点将跳频图案、各个跳频图案子集的参数及对应的传输信息比特通过NTN节点间无线链路分发给各个NTN辅节点；

(6)本发明每个NTN节点被分配到其中一个跳频图案子集及其对应的传输信息比特，并按照跳频图案子集进行跳频处理。

附图说明

图1为现有技术的单个NTN节点跳频图案示意图；

图2为本发明的NTN通信系统组网示意图；

图3为本发明完整的跳频图案示意图；

图4为本发明跳频图案子集划分示意图；

图5为本发明NTN主节点与NTN辅节点信息发送处理的原理框图之一；

图6为本发明NTN主节点与NTN辅节点信息发送处理的原理框图之二；

图7为本发明实施例2中本发明的多卫星通信系统组网示意图之一；

图8为本发明实施例2中完整的跳频图案示意图；

图9为本发明实施例2中跳频图案子集划分示意图；

图10为本发明实施例2中主星与辅星信息发送处理的原理框图之一；

图11本发明实施例2中主星与辅星信息发送处理的原理框图之二；

图12为发明实施例3中完整的跳频图案；

图13为发明实施例3中跳频图案子集划分示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图13所示，在不提升单个NTN节点的跳频带宽处理能力的条件下，利用多个NTN节点进行联合跳频的方法，增大系统的跳频带宽，从而提升NTN跳频通信系统的跳频性能。

在NTN通信系统中，终端需要与多个NTN节点同时建立用户链路。

如图2所示，将NTN通信系统中的NTN节点分为一个NTN主节点和多个NTN辅节点，其中，NTN主节点与NTN辅节点之间通过NTN节点间无线链路进行信息交互，并且NTN节点之间保持时间同步关系。假设一共有N个 NTN节点，NTN主节点编号为1，NTN辅节点编号为2～N。

系统交互流程概述：

NTN辅节点通过NTN节点间无线链路向NTN主节点上报自身的处理能力，上报信息包括跳频带宽处理能力。

NTN主节点根据各NTN节点的跳频带宽处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集，并分配给N个NTN节点，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应NTN节点的处理能力。

NTN主节点将跳频图案、各个跳频图案子集的参数及对应的传输信息比特通过NTN节点间无线链路分发给各个NTN辅节点。

每个NTN节点被分配到其中一个跳频图案子集及其对应的传输信息比特，并按照跳频图案子集进行跳频处理。

这样，N个NTN节点按照跳频图案子集发射的信号组成为一个符合完整跳频图案的信号，从而实现了将多个小带宽的NTN节点组合成为一个完整的大带宽跳频通信系统。

该发明的优点：根据各NTN节点的跳频带宽处理能力，将一个大带宽的跳频图案灵活划分为多个跳频图案子集以适应单个NTN节点的跳频带宽处理能力；利用多个NTN节点联合跳频的方法实现完整的大带宽跳频图案，增大了系统的跳频带宽，从而提升了NTN跳频通信系统的跳频性能，并且降低了单个NTN节点的实现复杂度和硬件要求及成本。

NTN跳频通信系统的基本参数：

在NTN跳频通信系统中，一共有N个NTN节点，M个跳频频点。

NTN节点编号n：取值范围为1～N；

跳频频点编号m：取值范围为1～M。

跳频信号的基本参数：

单跳信号带宽：B(单位：Hz)；

相邻两个跳频频点的频率间隔：Δf(单位：Hz)；

跳频频点总数：M；

跳频信号总带宽：B_total＝Δf×(M-1)+B(单位：Hz)；

跳频频点编号m对应的跳频频率：f(m)＝f(1)+Δf×(m-1)(单位： Hz)，其中，f(1)为第1跳的频率；

跳频速率：R_hop(单位：跳/秒)；

单跳周期：T_hop＝1/R_hop(单位：秒/跳)；

调制符号速率：R_symbol(单位：symbol/秒)；

单跳周期内承载的调制符号个数：N_{symbol_hop}＝R_symbol×T_hop；

调制阶数(单个调制符号承载的信息比特数)：L；

单跳周期内承载的信息比特数：N_{bit_hop}＝N_{symbol_hop}×L；

第k个单跳周期内的跳频频点编号m_k的计算方法：m_k＝g(k)，

其中，k为时间编号，k＝1，2，…；g(k)为跳频图案的函数，g(k)可以是一个伪随机函数、混沌函数或自定义映射函数。

该NTN跳频通信系统的完整跳频图案示意图如图3所示。

跳频图案子集的划分方法说明：

NTN主节点根据各NTN节点的跳频带宽处理能力，将完整的跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应NTN节点的处理能力。因此，设计跳频图案子集的参数如下：

跳频图案子集编号n：取值范围为1～N；跳频图案子集编号与NTN节点编号一一对应；

N个跳频图案子集在频域上是连续拼接的，其起始、终止跳频频点编号如下：

跳频图案子集1的起始跳频频点编号m_1，start＝1，终止跳频频点编号 m_1，end；

跳频图案子集2的起始跳频频点编号m_2，start＝m_1，end+1，终止跳频频点编号m_2，end；

跳频图案子集n的起始跳频频点编号m_n，start＝m_n-1，end+1，终止跳频频点编号m_n，end；

跳频图案子集N的起始跳频频点编号m_N，start＝m_N-1，end+1，终止跳频频点编号m_N，end＝M；

其中，跳频图案子集n由NTN节点n进行处理；跳频图案子集n的跳频频点个数为：M_n＝m_n，end-m_n，start+1；跳频图案子集n的跳频带宽为： B_n＝Δf×(M_n-1)+B；B_n满足：小于或等于对应NTN节点的处理能力。

如图5所示，当NTN主节点收集到各个NTN辅节点的跳频带宽处理能力的信息后，NTN主节点与NTN辅节点信息发送处理的流程说明如下。

NTN主节点处理流程：

跳频图案子集划分模块：

1)首先根据各NTN节点的跳频带宽处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应NTN节点的处理能力。具体方法见“跳频图案子集的划分方法说明”。

2)然后，跳频图案子集划分模块将跳频图案g(k)、各NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}，n＝1，…，N发送给参数及信息分发模块。

信息分组模块：将输入的串行信息比特流b(i)按照单跳周期内承载的信息比特数N_{bit_hop}进行打包分组，得到第k个单跳周期内承载的信息比特块 A_k：

{b(N_{bit_hop}×(k-1)+1)，…，b(N_{bit_hop}×k)}，并输出给参数及信息分发模块，其中，时间编号k＝1，2，…。

参数及信息分发模块：

1)首先将跳频图案g(k)、NTN辅节点的跳频图案子集参数 {(m_n，start，m_n，end)}，n＝2，…，N输出给NTN节点间无线转发模块，并通过 NTN节点间无线链路发送给对应编号的NTN辅节点。

2)将跳频图案g(k)和NTN主节点的跳频图案子集参数 {(m_n，start，m_n，end)}输出给跳频调制模块；

3)根据跳频图案g(k)计算第k个单跳周期内的跳频频点编号m_k： m_k＝g(k)；

然后利用各NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}，n＝ 1，…，N判断跳频频点编号m_k属于跳频图案子集n_k，并将{信息比特块A_k，时间编号k}分发给对应编号n_k的NTN节点。分发方法说明：

如果NTN节点编号n_k属于NTN主节点，则直接将{信息比特块A_k，时间编号k}输出给NTN主节点的后续处理模块：将信息比特块A_k输出给符号映射模块，将时间编号k输出给跳频调制模块；

如果NTN节点编号n_k属于NTN辅节点，则将{信息比特块A_k，时间编号k}输出给NTN节点间无线转发模块，并通过NTN节点间无线链路发送给对应编号的NTN辅节点。

符号映射模块：将输入的信息比特块A_k按照预定的符号调制方式映射为调制符号s(n_k，t)，其中，NTN节点编号n_k属于当前NTN节点的编号，t为时间参数。然后将调制符号输出给跳频调制模块。

跳频调制模块：

1)首先利用当前NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}初始化跳频调制模块的跳频带宽和中心频率；

2)然后利用输入的跳频图案g(k)和时间编号k计算跳频频点编号m_k： m_k＝g(k)；3)将跳频频点编号m_k转换为跳频频率f(m_k)；

4)将调制符号s(n_k，t)搬移到跳频频率f(m_k)，得到第k个单跳周期内的跳频信号

其中，j表示复数的虚部，(k-1)×T_hop≤t＜ k×T_hop，T_hop为单跳周期；

5)最后将当前NTN节点的第k个单跳周期内的跳频信号输出给射频前端模块。

射频前端模块对输入的跳频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的无线射频信号，然后通过天线发射到空中。

NTN辅节点处理流程：

NTN节点间无线接收模块：接收NTN主节点发送的NTN节点之间消息，并输出给参数及信息解析模块。

参数及信息解析模块：解析NTN节点之间消息，得到跳频图案g(k)、当前NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}及{信息比特块A_k，时间编号k}；

再将信息比特块A_k输出给符号映射模块，将跳频图案g(k)、当前NTN 节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}及时间编号k输出给跳频调制模块。

NTN辅节点的后续处理流程与NTN主节点相同：

符号映射模块：将输入的信息比特块A_k按照预定的符号调制方式映射为调制符号s(n_k，t)，其中，NTN节点编号n_k属于当前NTN节点的编号，t为时间参数。然后将调制符号输出给跳频调制模块。

跳频调制模块：

1)首先利用当前NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}初始化跳频调制模块的跳频带宽和中心频率；

2)然后利用输入的跳频图案g(k)和时间编号k计算跳频频点编号m_k： m_k＝g(k)；3)将跳频频点编号m_k转换为跳频频率f(m_k)；

4)将调制符号s(n_k，t)搬移到跳频频率f(m_k)，得到第k个单跳周期内的跳频信号

其中，j表示复数的虚部，(k-1)×T_hop≤t＜ k×T_hop，T_hop为单跳周期；

5)最后将当前NTN节点的第k个单跳周期内的跳频信号输出给射频前端模块。

射频前端模块对输入的跳频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的无线射频信号，然后通过天线发射到空中。

实施例2

如图1至图13所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：

本发明应用于NTN通信或测控系统，终端与多个NTN节点同时进行通信、测控的场景。

例如：卫星、航空飞行器、导弹等平台的通信、测控系统。其中，以卫星平台为主要应用场景。

在多卫星通信系统中，终端需要与多个卫星同时建立用户链路。

如图7所示，将多卫星通信系统中的卫星分为一个主星和多个辅星，其中，主星与辅星之间通过星间激光链路进行信息交互，并且星间保持时间同步关系。假设一共有N个卫星，主星编号为1，辅星编号为2～N。

系统交互流程概述：

辅星通过星间激光链路向主星上报自身的处理能力，上报信息包括跳频带宽处理能力。

主星根据各卫星的跳频带宽处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集，并分配给N个卫星，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应卫星的处理能力。

主星将跳频图案、各个跳频图案子集的参数及对应的传输信息比特通过星间激光链路分发给各个辅星。

每个卫星被分配到其中一个跳频图案子集及其对应的传输信息比特，并按照跳频图案子集进行跳频处理。

这样，N个卫星按照跳频图案子集发射的信号组成为一个符合完整跳频图案的信号，从而实现了将多个小带宽的卫星组合成为一个完整的大带宽跳频通信系统。

该发明的优点：根据各卫星的跳频带宽处理能力，将一个大带宽的跳频图案灵活划分为多个跳频图案子集以适应单星的跳频带宽处理能力；利用多卫星联合跳频的方法实现完整的大带宽跳频图案，增大了卫星跳频通信系统的跳频带宽，从而提升了卫星跳频通信系统的跳频性能，并且降低了单星实现复杂度和硬件要求及成本。

多卫星跳频通信系统的基本参数：

在多卫星跳频通信系统中，一共有N个卫星，M个跳频频点。

卫星编号n：取值范围为1～N；

跳频频点编号m：取值范围为1～M。

跳频信号的基本参数：

单跳信号带宽：B(单位：Hz)；

相邻两个跳频频点的频率间隔：Δf(单位：Hz)；

跳频频点总数：M；

跳频信号总带宽：B_total＝Δf×(M-1)+B(单位：Hz)；

跳频频点编号m对应的跳频频率：f(m)＝f(1)+Δf×(m-1)(单位： Hz)，其中，f(1)为第1跳的频率；

跳频速率：R_hop(单位：跳/秒)；

单跳周期：T_hop＝1/R_hop(单位：秒/跳)；

调制符号速率：R_symbol(单位：symbol/秒)；

单跳周期内承载的调制符号个数：N_{symbol_hop}＝R_symbol×T_hop；

调制阶数(单个调制符号承载的信息比特数)：L；

单跳周期内承载的信息比特数：N_{bit_hop}＝N_{symbol_hop}×L；

第k个单跳周期内的跳频频点编号m_k的计算方法：m_k＝g(k)，

其中，k为时间编号，k＝1，2，…；g(k)为跳频图案的函数，g(k)可以是一个伪随机函数、混沌函数或自定义映射函数。

该多卫星跳频通信系统的完整跳频图案示意图如图8所示。

跳频图案子集划分方法实施例的说明：

主星根据各卫星的跳频带宽处理能力，将完整的跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应卫星的处理能力。因此，设计跳频图案子集的参数如下：

跳频图案子集编号n：取值范围为1～N；跳频图案子集编号与卫星编号一一对应；

N个跳频图案子集在频域上是连续拼接的，其起始、终止跳频频点编号如下：

跳频图案子集1的起始跳频频点编号m_1，start＝1，终止跳频频点编号 m_1，end；

跳频图案子集2的起始跳频频点编号m_2，start＝m_1，end+1，终止跳频频点编号m_2，end；

跳频图案子集n的起始跳频频点编号m_n，start＝m_n-1，end+1，终止跳频频点编号m_n，end；

跳频图案子集N的起始跳频频点编号m_N，start＝m_N-1，end+1，终止跳频频点编号m_N，end＝M；

其中，跳频图案子集n由卫星n进行处理；跳频图案子集n的跳频频点个数为：M_n＝m_n，end-m_n，start+1；跳频图案子集n的跳频带宽为： B_n＝Δf×(M_n-1)+B；B_n满足：小于或等于对应卫星的处理能力。

跳频图案子集的划分示意图如图9所示。

如图10所示，当主星收集到各个辅星跳频带宽处理能力的信息后，主星与辅星信息发送处理的流程说明如下。

主星处理流程：

跳频图案子集划分模块：

1)首先根据各卫星的跳频带宽处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应卫星的处理能力。具体方法见“跳频图案子集划分方法实施例的说明”。

2)然后，跳频图案子集划分模块将跳频图案g(k)、各卫星的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}，n＝1，…，N发送给参数及信息分发模块。

信息分组模块：将输入的串行信息比特流b(i)按照单跳周期内承载的信息比特数N_{bit_hop}进行打包分组，得到第k个单跳周期内承载的信息比特块 A_k：

{b(N_{bit_hop}×(k-1)+1)，…，b(N_{bit_hop}×k)}，并输出给参数及信息分发模块，其中，时间编号k＝1，2，…。

参数及信息分发模块：

1)首先将跳频图案g(k)、辅星的跳频图案子集参数 {(m_n，start，m_n，end)}，n＝2，…，N输出给星间激光转发模块，并通过星间激光链路发送给对应编号的辅星。

2)将跳频图案g(k)和主星的跳频图案子集参数((m_n，start，m_n，end)}输出给跳频调制模块；

3)根据跳频图案g(k)计算第k个单跳周期内的跳频频点编号m_k： m_k＝g(k)；

然后利用各卫星的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}，n＝1，…，N 判断跳频频点编号m_k属于跳频图案子集n_k，并将{信息比特块A_k，时间编号k}分发给对应编号n_k的卫星。分发方法说明：

如果卫星编号n_k属于主星，则直接将{信息比特块A_k，时间编号k}输出给主星的后续处理模块：将信息比特块A_k输出给符号映射模块，将时间编号k输出给跳频调制模块；

如果卫星编号n_k属于其他辅星，则将{信息比特块A_k，时间编号k}输出给星间激光转发模块，并通过星间激光链路发送给对应编号的辅星。

符号映射模块：将输入的信息比特块A_k按照预定的符号调制方式映射为调制符号s(n_k，t)，其中，卫星编号n_k属于当前卫星的编号，t为时间参数。然后将调制符号输出给跳频调制模块。

跳频调制模块：

1)首先利用本卫星的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}初始化跳频调制模块的跳频带宽和中心频率；

2)然后利用输入的跳频图案g(k)和时间编号k计算跳频频点编号m_k： m_k＝g(k)；3)将跳频频点编号m_k转换为跳频频率f(m_k)；

4)将调制符号s(n_k，t)搬移到跳频频率f(m_k)，得到第k个单跳周期内的跳频信号

其中，j表示复数的虚部，(k-1)×T_hop≤t＜ k×T_hop，T_hop为单跳周期；

5)最后将当前卫星的第k个单跳周期内的跳频信号输出给射频前端模块。

射频前端模块对输入的跳频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的无线射频信号，然后通过天线发射到空中。

辅星处理流程：

星间激光接收模块：接收主星发送的星间消息，并输出给参数及信息解析模块。

参数及信息解析模块：解析星间消息，得到跳频图案g(k)、本卫星的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}及{信息比特块A_k，时间编号k}；

再将信息比特块A_k输出给符号映射模块，将跳频图案g(k)、本卫星的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}及时间编号k输出给跳频调制模块。

辅星的后续处理流程与主星相同：

符号映射模块：将输入的信息比特块A_k按照预定的符号调制方式映射为调制符号s(n_k，t)，其中，卫星编号n_k属于当前卫星的编号，t为时间参数。然后将调制符号输出给跳频调制模块。

跳频调制模块：

1)首先利用本卫星的跳频图案子集参数{(m_n，start，m_n，end)}初始化跳频调制模块的跳频带宽和中心频率；

2)然后利用输入的跳频图案g(k)和时间编号k计算跳频频点编号m_k： m_k＝g(k)；3)将跳频频点编号m_k转换为跳频频率f(m_k)；

4)将调制符号s(n_k，t)搬移到跳频频率f(m_k)，得到第k个单跳周期内的跳频信号

其中，j表示复数的虚部，(k-1)×T_hop≤t＜ k×T_hop，T_hop为单跳周期；

5)最后将当前卫星的第k个单跳周期内的跳频信号输出给射频前端模块。

射频前端模块对输入的跳频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的无线射频信号，然后通过天线发射到空中。

本发明根据各卫星的跳频带宽处理能力，将一个大带宽的跳频图案灵活划分为多个跳频图案子集以适应单星的跳频带宽处理能力；

本发明利用多卫星联合跳频的方法实现完整的大带宽跳频图案，增大了卫星跳频通信系统的跳频带宽，从而提升了卫星跳频通信系统的跳频性能，并且降低了单星实现复杂度和硬件要求及成本。

本发明将一个大带宽的跳频图案划分为多个跳频图案子集，并利用多卫星联合跳频的方法实现完整的大带宽跳频图案，增大了卫星跳频通信系统的跳频带宽，降低了单星实现复杂度和硬件要求及成本。

实施例3

如图1至图13所示，本实施例包含实施例1、实施例2的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，提供更细化的实施方式。

多卫星跳频通信系统的基本参数：

在多卫星跳频通信系统中，一共有2个卫星，8个跳频频点。

卫星编号n：取值范围为1～2；

跳频频点编号m：取值范围为1～8。

跳频信号的基本参数：

单跳信号带宽：B＝10MHz；

相邻两个跳频频点的频率间隔：Δf＝20MHz；

跳频频点总数：M＝8；

跳频信号总带宽：B_total＝Δf×(M-1)+B＝150MHz；

跳频频点编号m对应的跳频频率：f(m)＝f(1)+Δf×(m-1)，其中， f(1)＝3GHz为第1跳的频率；

跳频速率：R_hop＝1×10⁴跳/秒；

单跳周期：T_hop＝1/R_hop＝1×10^-4秒/跳；

调制符号速率：Rsymbol＝1×10⁵symbol/秒；

单跳周期内承载的调制符号个数：N_{symbol_hop}＝R_symbol×T_hop＝10；

调制阶数(单个调制符号承载的信息比特数)：L＝2，调制方式为DQPSK；

单跳周期内承载的信息比特数：N_{bit_hop}＝N_{symbol_hop}×L＝20；

第k个单跳周期内的跳频频点编号m_k的计算方法：m_k＝g(k)，

其中，k为时间编号，k＝1，2，…；g(k)为跳频图案的函数，g(k)是一个自定义映射函数，跳频图案映射函数表如表1所示。

表1跳频图案映射函数表(周期循环)

该多卫星跳频通信系统的完整的跳频图案实施例二如图12所示。

跳频图案子集划分方法实施例的说明：

设卫星1的跳频带宽处理能力为120MHz，卫星2的跳频带宽处理能力为40MHz。主星根据各卫星的跳频带宽处理能力，将完整的跳频图案在频域上分解为2个频域上连续拼接的跳频图案子集，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应卫星的处理能力。因此，设计跳频图案子集的参数如下：

跳频图案子集编号n：取值范围为1～2；跳频图案子集编号与卫星编号一一对应；

2个跳频图案子集在频域上是连续拼接的，其起始、终止跳频频点编号如下：

跳频图案子集1的起始跳频频点编号m_1，start＝1，终止跳频频点编号 m_1，end＝6，跳频频点个数为M₁＝6，跳频带宽为B₁＝Δf×(M₁-1)+B＝ 110MHz，小于卫星1的处理能力；

跳频图案子集2的起始跳频频点编号m_2，start＝7，终止跳频频点编号 m_2，end＝8，跳频频点个数为M₂＝2，跳频带宽为B₂＝Δf×(M₂-1)+B＝ 30MHz，小于卫星2的处理能力。

跳频图案子集划分的实施例如图13所示。

如图10所示，当主星收集到各个辅星跳频带宽处理能力的信息后，主星与辅星信息发送处理的流程说明如下。

主星处理流程：

跳频图案子集划分模块：

1)首先根据各卫星的跳频带宽处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为2个频域上连续拼接的跳频图案子集，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应卫星的处理能力。具体方法见“跳频图案子集划分方法实施例二的说明”。

2)然后，跳频图案子集划分模块将跳频图案g(k)、各卫星的跳频图案子集参数{(m_1，start，m_1，end)，(m_2，start，m_2，end)}发送给参数及信息分发模块。

信息分组模块：将输入的串行信息比特流b(i)按照单跳周期内承载的信息比特数N_{bit_hop}＝20进行打包分组，得到第k个单跳周期内承载的信息比特块A_k：

{b(N_{bit_hop}×(k-1)+1)，…，b(N_{bit_hop}×k)}，并输出给参数及信息分发模块，其中，时间编号k＝1，2，…。

参数及信息分发模块：

1)首先将跳频图案g(k)、辅星的跳频图案子集参数{(m_2，start，m_2，end)} 输出给星间激光转发模块，并通过星间激光链路发送给对应编号的辅星。

2)将跳频图案g(k)和主星的跳频图案子集参数{(m_1，start，m_1，end)}输出给跳频调制模块；

3)根据跳频图案g(k)计算第k个单跳周期内的跳频频点编号m_k： m_k＝g(k)；

然后利用各卫星的跳频图案子集参数 {(m_1，start，m_1，end)，(m_2，start，m_2，end)}判断跳频频点编号m_k属于跳频图案子集n_k(n_k＝1或2)，并将{信息比特块A_k，时间编号k}分发给对应编号 n_k的卫星。分发方法说明：

如果卫星编号n_k＝1，属于主星，则直接将{信息比特块A_k，时间编号 k}输出给主星的后续处理模块：将信息比特块A_k输出给符号映射模块，将时间编号k输出给跳频调制模块；

如果卫星编号n_k＝2，属于其他辅星，则将{信息比特块A_k，时间编号 k}输出给星间激光转发模块，并通过星间激光链路发送给对应编号的辅星。

符号映射模块：将输入的信息比特块A_k按照预定的符号调制方式DQPSK 映射为调制符号s(n_k，t)，其中，卫星编号n_k属于当前卫星的编号，t为时间参数。然后将调制符号输出给跳频调制模块。

跳频调制模块：

1)首先利用本卫星的跳频图案子集参数{(m_1，start，m_1，end)}初始化跳频调制模块的跳频带宽和中心频率；

2)然后利用输入的跳频图案g(k)和时间编号k计算跳频频点编号m_k： m_k＝g(k)；3)将跳频频点编号m_k转换为跳频频率f(m_k)；

4)将调制符号s(n_k，t)搬移到跳频频率f(m_k)，得到第k个单跳周期内的跳频信号

其中，j表示复数的虚部，(k-1)×T_hop≤t＜ k×T_hop，T_hop为单跳周期，T_hop＝1×10^-4秒/跳；

5)最后将当前卫星的第k个单跳周期内的跳频信号输出给射频前端模块。

射频前端模块对输入的跳频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的无线射频信号，然后通过天线发射到空中。

辅星处理流程：

星间激光接收模块：接收主星发送的星间消息，并输出给参数及信息解析模块。

参数及信息解析模块：解析星间消息，得到跳频图案g(k)、本卫星的跳频图案子集参数{(m_2，start，m_2，end)}及{信息比特块A_k，时间编号k}；

再将信息比特块A_k输出给符号映射模块，将跳频图案g(k)、本卫星的跳频图案子集参数{(m_2，start，m_2，end)}及时间编号k输出给跳频调制模块。

辅星的后续处理流程与主星相同：

符号映射模块：将输入的信息比特块A_k按照预定的符号调制方式DQPSK 映射为调制符号s(n_k，t)，其中，卫星编号n_k属于当前卫星的编号，t为时间参数。然后将调制符号输出给跳频调制模块。

跳频调制模块：

1)首先利用本卫星的跳频图案子集参数{(m_2，start，m_2，end)}初始化跳频调制模块的跳频带宽和中心频率；

2)然后利用输入的跳频图案g(k)和时间编号k计算跳频频点编号m_k： m_k＝g(k)；3)将跳频频点编号m_k转换为跳频频率f(m_k)；

4)将调制符号s(n_k，t)搬移到跳频频率f(m_k)，得到第k个单跳周期内的跳频信号

其中，j表示复数的虚部，(k-1)×T_hop≤t＜ k×T_hop，T_hop为单跳周期，T_hop＝1×10^-4秒/跳；

5)最后将当前卫星的第k个单跳周期内的跳频信号输出给射频前端模块。

射频前端模块对输入的跳频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的无线射频信号，然后通过天线发射到空中。

本发明根据各卫星的跳频带宽处理能力，将一个大带宽的跳频图案灵活划分为2个跳频图案子集以适应单星的跳频带宽处理能力；

本发明利用2个卫星联合跳频的方法实现完整的大带宽跳频图案，增大了卫星跳频通信系统的跳频带宽，从而提升了卫星跳频通信系统的跳频性能，并且降低了单星实现复杂度和硬件要求及成本。

本发明将一个大带宽的跳频图案划分为2个跳频图案子集，并利用2 个卫星联合跳频的方法实现完整的大带宽跳频图案，增大了卫星跳频通信系统的跳频带宽，降低了单星实现复杂度和硬件要求及成本。

本发明优势：

(1)灵活性：根据各NTN节点的跳频带宽处理能力，将一个大带宽的跳频图案灵活划分为多个跳频图案子集以适应单个NTN节点的跳频带宽处理能力；

(2)利用多个NTN节点联合跳频的方法实现完整的大带宽跳频图案，增大了系统的跳频带宽，从而提升了NTN跳频通信系统的跳频性能，并且降低了单个NTN节点的实现复杂度和硬件要求及成本。

本发明将NTN通信系统中的N个NTN节点分为1个NTN主节点和(N-1) 个NTN辅节点，其中，NTN主节点与NTN辅节点之间通过NTN节点间无线链路进行信息交互，并且NTN节点之间保持时间同步关系。

本发明NTN辅节点通过NTN节点间无线链路向NTN主节点上报自身的处理能力，上报信息包括跳频带宽处理能力。

本发明NTN主节点根据各NTN节点的跳频带宽处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集，并分配给N个 NTN节点，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应NTN节点的处理能力。

本发明NTN主节点将跳频图案、各个跳频图案子集的参数及对应的传输信息比特通过NTN节点间无线链路分发给各个NTN辅节点。

本发明每个NTN节点被分配到其中一个跳频图案子集及其对应的传输信息比特，并按照跳频图案子集进行跳频处理。

这样，N个NTN节点按照跳频图案子集发射的信号组成为一个符合完整跳频图案的信号，从而实现了将多个小带宽的NTN节点组合成为一个完整的大带宽跳频通信系统。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种非地面网络的联合跳频传输系统，其特征在于，包括N个NTN节点，NTN节点包括一个NTN主节点和N-1个NTN辅节点，NTN主节点记为NTN节点1，多个NTN辅节点分别记为NTN节点2～NTN节点N，NTN节点1～NTN节点N之间通过NTN节点间无线链路进行信息交互；将一个跳频图案分解为多个跳频图案子集以适应单个NTN节点的跳频带宽处理能力，利用多个NTN节点联合跳频的方法实现完整的大带宽跳频图案；其中，N≥2且N为正整数；

N个NTN节点之间保持时间同步关系；

NTN辅节点用以通过NTN节点间无线链路向NTN主节点上报自身的处理能力；NTN主节点用以根据各NTN节点的处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上的跳频图案子集，并分配给N个NTN节点，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应NTN节点的处理能力；每个NTN节点还用以接收被分配到的其中一个跳频图案子集，并按照跳频图案子集进行跳频处理；

NTN主节点用以根据各NTN节点的处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集；

NTN主节点用以将跳频图案、各个跳频图案子集的参数及对应的传输信息比特通过NTN节点间无线链路分发给各个NTN辅节点；每个NTN节点还用以接收被分配到的其中一个跳频图案子集及其对应的传输信息比特，并按照跳频图案子集进行跳频处理；

第k个单跳周期内的跳频频点编号计算方式为：

m_k＝g(k)；

其中，k为时间编号，k为正整数，m_k表示第k个单跳周期内的跳频频点编号，g(k)为跳频图案的函数；

g(k)为伪随机函数、混沌函数或自定义映射函数；

主节点包括依次电相连的信息分组模块、参数及信息分发模块、主节点符号映射模块、主节点跳频调制模块、主节点射频前端模块，还包括与参数及信息分发模块电相连的跳频图案子集划分模块，参数及信息分发模块与主节点跳频调制模块电相连；参数及信息分发模块还与NTN辅节点电相连；

其中；

跳频图案子集划分模块：用以根据各NTN节点的跳频带宽处理能力，将一个跳频图案在频域上分解为N个频域上连续拼接的跳频图案子集，使得各跳频图案子集的跳频带宽不超出对应NTN节点的处理能力；以及；将跳频图案g(k)、各NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n,start,m_n,end)},n＝1,…,N发送给参数及信息分发模块；其中，跳频图案子集编号n，m_n,start表示跳频图案子集n的起始跳频频点编号，m_n,end表示跳频图案子集n的终止跳频频点编号；

信息分组模块：用以将输入的串行信息比特流b(i)按照单跳周期内承载的信息比特数N_{bit_hop}进行打包分组，得到第k个单跳周期内承载的信息比特块A_k：{b(N_{bit_hop}×(k-1)+1),…,b(N_{bit_hop}×k)}，并输出给参数及信息分发模块；

参数及信息分发模块：用以首先将跳频图案g(k)、NTN辅节点的跳频图案子集参数{(m_n,start,m_n,end)},n＝2,…,N输出给对应编号的NTN辅节点；还用以将跳频图案g(k)和NTN主节点的跳频图案子集参数{(m_n,start,m_n,end)}输出给主节点跳频调制模块；然后根据跳频图案g(k)计算第k个单跳周期内的跳频频点编号m_k：m_k＝g(k)；再利用各NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n,start,m_n,end)},n＝1,…,N判断跳频频点编号m_k属于跳频图案子集n_k，并将{信息比特块A_k，时间编号k}分发给对应编号n_k的NTN节点；

主节点符号映射模块：用以将输入的信息比特块A_k按照预定的符号调制方式映射为调制符号s(n_k,t)，其中，NTN节点编号n_k属于当前NTN节点的编号，t为时间参数；然后将调制符号输出给主节点跳频调制模块；

主节点跳频调制模块：用以利用当前NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n,start,m_n,end)}初始化跳频调制模块的跳频带宽和中心频率；然后利用输入的跳频图案g(k)和时间编号k计算跳频频点编号m_k：m_k＝g(k)；将跳频频点编号m_k转换为跳频频率f(m_k)；将调制符号s(n_k,t)搬移到跳频频率f(m_k)，得到第k个单跳周期内的跳频信号

其中，j表示复数的虚部，(k-1)×T_hop≤t<k×T_hop，T_hop为单跳周期；最后将当前NTN节点的第k个单跳周期内的跳频信号输出给主节点射频前端模块；

主节点射频前端模块用以对输入的跳频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的无线射频信号，然后通过天线发射到空中。

2.根据权利要求1所述的一种非地面网络的联合跳频传输系统，其特征在于，辅节点包括依次电相连的参数及信息解析模块、辅节点符号映射模块、辅节点跳频调制模块、辅节点射频前端模块，参数及信息解析模块与主节点的参数及信息分发模块电相连；

其中，

参数及信息解析模块：用以解析NTN节点之间消息，得到跳频图案g(k)、当前NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n,start,m_n,end)}及{信息比特块A_k，时间编号k}；再将信息比特块A_k输出给辅节点符号映射模块，将跳频图案g(k)、当前NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n,start,m_n,end)}及时间编号k输出给辅节点跳频调制模块；

辅节点符号映射模块：用以将输入的信息比特块A_k按照预定的符号调制方式映射为调制符号s(n_k,t)，其中，NTN节点编号n_k属于当前NTN节点的编号，t为时间参数；然后将调制符号输出给辅节点跳频调制模块；

辅节点跳频调制模块：用以首先利用当前NTN节点的跳频图案子集参数{(m_n,start,m_n,end)}初始化辅节点跳频调制模块的跳频带宽和中心频率；然后利用输入的跳频图案g(k)和时间编号k计算跳频频点编号m_k：m_k＝g(k)；再将跳频频点编号m_k转换为跳频频率f(m_k)；再将调制符号s(n_k,t)搬移到跳频频率f(m_k)，得到第k个单跳周期内的跳频信号

其中，j表示复数的虚部，(k-1)×T_hop≤t<k×T_hop，T_hop为单跳周期；最后将当前NTN节点的第k个单跳周期内的跳频信号输出给辅节点射频前端模块；

辅节点射频前端模块：用以对输入的跳频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的无线射频信号，然后通过天线发射到空中。

3.一种非地面网络的联合跳频传输方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的一种非地面网络的联合跳频传输系统。

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